CN105705328A - 电互连薄片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于形成柔性电子电路(更具体地用于形成包括诸如集成电路之类的刚性电子元件的电路)的可弯曲电互连薄片。该薄片包括柔性基板和用于连接各电子元件的可拉伸导电迹线。弹性层被置于基板和迹线之间。本发明还涉及包括可弯曲电互连薄片的电子电路。

Description

电互连薄片

本发明涉及包括柔性基板和可拉伸导电迹线的电互连薄片。

现有技术

传统上，例如通过在覆铜层压FR4(阻燃玻璃增强环氧树脂)中蚀刻图案，在刚性印刷电路板上制作用于电子电路的互连。刚性电路板为电子元件提供机械保护以防止损坏，尤其是防止由弯曲力引起的损坏。柔性电互连例如由塑料薄片(例如聚酯纤维或聚酰亚胺薄片)上的铜迹线制成。这样的互连被用于把例如印刷机和扫描仪中的移动部分电连接到该装置的固定部分中的电子器件。通常，这样的互连不包括电子元件而是仅包括导电迹线。

当前，存在对在某种程度上可弯曲的柔性电子器件即功能性电子器件的不断增加的需求。柔性电子器件可以用于可穿戴产品，例如用于在衣物中集成电子器件。尽管可以把一些电子元件(例如OLED(有机发光二极管))制成柔性的，但通常这样的元件(例如IC(集成电路))是刚性的。为了获得可弯曲器件，器件的刚性元件被放置在包括连接各刚性元件的导电迹线的柔性基板上。

对于某些应用来说，器件仅仅可弯曲是不够的，它应该也是可拉伸的，这意味着器件可以伸长和/或缩短。当例如在衣物中合并器件时，可拉伸器件是优选的。在把薄器件附连到与该器件的厚度相比很厚的弯曲结构时，也可以发生这样的器件的拉伸。

在制作柔性电子器件时遇到的问题之一是，附连到基板的相对较厚的铜迹线与柔性基板相比是刚性的，且这样的厚的附连铜迹线是不可拉伸的。柔性电路板是公知的，例如从国际专利申请WO2012/131352中获悉。该文档公开了由柔性聚氨酯基板和导电铜迹线制成的电路板。迹线包括在柔性基板受到张力时允许这些迹线伸长而不被破坏的弹性部分。此外，还公开了这些迹线可被夹在两个聚氨酯基板之间以便隔离铜迹线。

在国际专利申请WO2010/086034中，认为柔性电子电路板具有这样的缺点：其中刚性器件通过这样的可拉伸迹线连接的电子器件倾向于容易在迹线连接到刚性器件的点处断裂。WO2010/086034公开了包括用于连接刚性电子元件的导电铜迹线的可拉伸结构。更特别地，该结构包括半过渡部分。该半过渡结构具有处于电子元件的杨氏模量和可拉伸结构的柔性部分的杨氏模量之间的中间水平的杨氏模量，其允许减少在可拉伸结构的柔性部分和电子元件之间的应变间隙。该半过渡结构由铜以及通常用作柔性电子系统的基板的可弯曲但不可拉伸的材料制成。

US2004192082公开了通过在橡胶或塑料基板上的平坦导电膜中蚀刻导体图案来形成的可拉伸互连。导电膜或从所述膜形成的导线被随机弯曲或者组织成波纹，以便使得该膜更加可拉伸。

US2004243204公开了具有之字形或波浪形的电路线路的可拉伸电子电路。这允许该电路在电路线路的纵向方向拉伸。

根据现有技术的电互连薄片状态的缺点在于，在薄片被弯曲时，这样的薄片的铜迹线在与该薄片机械连接的电子元件上施加局部的力。这样的力可能器件例如通过使在迹线和器件之间的机械连接断开而损坏器件。

发明概述

本发明的目的是提供一种电互连薄片以得到改善的柔性电子电路的。

更具体的目的是减少由弯曲引起的对器件的损坏的风险。

本发明的这种目的由一种电互连薄片来实现，该电互连薄片包括柔性基板和可拉伸导电迹线，其特征在于，被置于基板和迹线之间的弹性层，其机械地连接迹线和基板。

弹性层具有将减少电子元件被附连到迹线的位置处的应力的效果。被置于基板和迹线之间的弹性层(该弹性层机械地连接迹线和基板)的优点在于，由于弹性层是有弹性的，即比柔性基板更没刚性，因此该弹性层减轻了由例如施加在基板上的弯曲力引起的应力。这种减轻的效果在于，电子元件被附连到迹线的位置处的应力与没有这样的弹性层的电互连薄片相比时电子元件减少了。减少应力使得包括迹线和电子元件的电路较不易受到由变形(例如基板的弯曲或热膨胀)引起的机械损坏。因此，根据本发明的电互连薄片允许制造改善的柔性电子电路。

在实施例中，弹性层电绝缘。

附图简述

图1示出电互连薄片的横截面。

图2示出图1中所示出的电互连薄片的俯视图。

图3示出电互连薄片的另一实施例的俯视图。

图4A示出优选的单个迹线的示例。

图4B示出多个优选迹线的示例。

图5示出电子电路的横截面。

图6示出电子电路的俯视图。

图7示出包括集成电路的电子电路的俯视图。

详细描述本发明

图1和图2中示出了电互连薄片的示意图。图1是包括可拉伸导电迹线(3)的这样的薄片的实施例的横截面，且图2是同一实施例的俯视图。电互连薄片(1)包括夹在柔性基板(2)和可拉伸导电迹线(3)之间的弹性层(4)。柔性基板本身是已知的。在这里，柔性基板指可以以比基板的厚度小数千倍的最小容许弯曲半径弯曲的基板。基板的最小容许弯曲半径指不引起基板的机械损坏(例如塑性变形或断裂)的最小弯曲半径。最小容许弯曲半径甚至可比基板的厚度小数百倍。

用于柔性电子电路和器件的柔性基板通常由非导电的材料(例如塑料)制成。柔性基板(2)可以是由例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PC(聚碳酸酯)、HDPE(高密度聚乙烯)或PP(聚丙烯)之类的热塑性聚合物制成的塑料薄片。由热塑性聚合物制成的基板可以包括用于得到改善的热属性、机械属性或其他属性的添加剂。基板的厚度取决于制成基板的材料和所要求的柔性的量等等。所要求的弯曲半径可以小于5厘米。通常，用于柔性电子器件的塑料基板具有在2微米和500微米之间、更具体地是在10微米和300微米之间、且更具体地是在20微米和150微米之间的厚度。

图2中的电互连薄片的俯视图示出薄片的这一实施例包括四个可拉伸导电迹线，这些迹线彼此电隔离。这些迹线的第一端(311、312、313、314)可以用于放置具有供电连接的四引脚的单个电子元件。这四个第一端也可以用于放置各自具有两个引脚的两个电子元件。应明白，端的数量不必等于引脚的数量。一些引脚可以不连接到端，或者多个引脚可以连接到单个端。这些迹线的第二端(321、322、323、324)可以用于把一个或多个电子元件连接到电子电路的其他部分或用于实现与例如电源或元件的外部连接。这样的连接可例如通过焊接、使用导电粘合剂的粘贴或使用夹具或插头的夹住来实现。

可拉伸导电迹线(3)由选自导电材料组的材料制成的组。迹线可以例如由金属制成，例如层压在柔性基板上的金属薄片或以另外方式均匀沉积的金属层，例如通过涂覆或化学或物理气相沉积或(电)镀。为了获得迹线的期望图案，应通过例如化学蚀刻、机械切割、激光烧蚀或用于选择性地移除金属层的部分的另一技术来图案化这样的均匀层。优选地，由于铜的优良电导率，铜被用来形成电子电路中的导电图案。铜可以覆盖有锡层，以便防止腐蚀或得到更好的焊接。然而，导电迹线也可使用其他金属，例如铝。通常，柔性电子电路中的铜迹线的厚度处于之间1微米和100微米之间，优选地处于5微米和20微米之间。

也可以通过例如通过喷墨印刷或丝网印刷把导电墨水印刷到基板上来制成电子电路的导电迹线。上面的印刷技术(例如先层压后蚀刻)的优点在于，可以把导电材料直接沉积在所要求的图案中。这样的导电墨水可以包括银或其他导电材料，例如碳(石墨、碳纳米管)或镀镍颗粒。

存在获得可拉伸的导电迹线的多种方法。一种方法可以使用可拉伸导电材料来制成导电迹线，例如填充有诸如碳或金属之类的导电材料的橡胶。然而，这样的材料不具有许多电子电路中要求的包括高电导率在内的属性。出于这种原因，优选通过将金属迹线图案化成允许拉伸该迹线的形状来制成可拉伸导电迹线。这样的形状的示例在图2中被示出，并将在下面被更详细地讨论。拉伸迹线意味着迹线的第一端(311、312、313、314)和迹线的第二端(321、322、323、324)之间的距离可以可逆地扩大和减少，而不会产生迹线的塑性变形或以另外方式破坏迹线。如在此所使用的，导电迹线是满足此条件的可拉伸导电迹线。

文献中建议了获得柔性导电迹线的多种几何形状。这些几何形状包括如WO2010/086034中描述的波浪几何形状和如WO2012/131352中描述的更复杂的几何形状。这样的迹线几何形状可以成功地应用于导电薄片。除了这些几何形状之外，发明人已经发现，如下面描述的迹线几何形状可以被顺利用于电互连薄片。将参考图4A描述这种迹线几何形状。应理解，图4A仅示出这样的迹线的一个实施例(40)。图4A中所示出的可拉伸导电迹线的实施例包括两个串联的V形部分。在这里出于说明的目的选择实际上提供具有W形的迹线的数量。每一迹线的V形部分的数量可以限于仅一个，但每一迹线也可以包括三个或更多个串联的V形部分。为了连接诸如集成电路(IC)、显示器和电荷耦合器件(CCD)之类的具有多个连接引脚的电子元件，可以平行放置多个可拉伸导电迹线，如图4B中所示出的。在这里，示出了四个并行可拉伸迹线(49)，但是迹线的数量可以是任何数量，甚至可以是如图4A中所示出的只有一个。迹线的数量可以适应电子元件的引脚的数量或迹线属于其部分的电子电路的其他特性。

可拉伸导电迹线(40)至少包括一个V形导电部分，该V形导电部分包括还被称为腿的两个直的部分(41、42)，每一部分都具有长度lt和宽度w。在每一腿的一端相互接合以形成V形的各腿限定角α。角α小于180度且通常可以小于120度。迹线进一步包括第一端部分(43)和第二端部分(44)，其用于形成与电子元件或迹线属于其部分的电子电路的其他部分的电触点。第一端部分和第二端部分可以如图4A中所示是直的部分，每一端部分分别以角β和β1在其自由端之一处接合V形部分。可以把角β和β1选择为相等，具有值β，以使得这两个端部分(43)和(44)如图4A中所示成一直线。在这样的可拉伸迹线实施例中，角α和β通过波纹角CA彼此相关：α＝180度–2*CA且β＝180度–CA。

在由铜制成时，可拉伸导电迹线通常可以具有在5和50微米之间的厚度，优选地为约10微米的厚度。发明人已经发现，随着波纹角CA的增加以及迹线的长宽比lt/w的增加，迹线的刚度减少。为了获得比直的铜迹线低大约三个数量级的迹线的刚度，可以把波纹角选择成为45度或更多，同时V形部分的腿的lt/w率是15(十五)或更多。参见图4A，这意味着V形部分的腿限定为90度或更小的角α和为135度或更小的角β。在不同于铜的另一材料用于制作迹线时，则可以优选其他lt/w率和其他角，这取决于迹线的厚度和用于制作迹线的材料的机械属性。为了连接诸如IC之类的包括多个连接引脚的电子元件，可以平行放置多个迹线(49)，如图4B中所示出的。

为了进一步讨论电互连薄片，再次参考图1。该薄片包括被置于柔性基板(2)和可拉伸导电迹线(3)之间的弹性层(4)。该弹性层被附连到迹线和基板两者且机械连接迹线和基板。由于这种机械连接，迹线粘附到柔性基板。应理解，该机械连接可以是化学或物理绑定。更具体地，该连接可以由迹线材料和基板材料之间的化学反应或由例如范德华力引起。柔性基板、弹性层和可拉伸迹线形成已连接的薄片。弹性层可以覆盖基板的整个区域或者的仅基板的一个或多个部分，如图2和3中所示出的。图2示出其中柔性基板层压有或以另外方式均匀地覆盖有弹性层的互连薄片。出于说明性目的，弹性层未被示出为覆盖基板的整个边界。然而，应理解，弹性层可以覆盖整个基板。

图3阐释其中弹性层被应用于多个区域(41、42、43)的实施例，这些区域是隔开的，即由基板(2)的没有被这些区域覆盖的部分分隔。多个迹线可被应用于弹性材料的单个区域(41)。也有可能仅将一个迹线应用于弹性材料的区域(42)。此外，一个或多个迹线可延伸到弹性层的区域(43)外。也可以以其他图案例如以迹线的图案应用弹性层。优选地，可拉伸迹线均匀地粘附到弹性层和柔性基板。然而，在某些点或区域，迹线可以从弹性层或基板松开。

弹性层可以具有在10到250微米的范围内的厚度，例如在50和100微米之间。在比柔性基板更没刚性即更有弹性时，弹性层被认为是弹性层。大量材料适于制作弹性层，只要弹性层比柔性基板更有弹性即可。在弹性层的刚度少于柔性基板的刚度10％(百分之十)、优选地少1％(百分之一)时将是这种情况。在实际中，且在弹性层的厚度为约基板的厚度的10％(百分之十)的情况中，当弹性层材料的杨氏模量低于基板材料的杨氏模量时，这种条件将得到满足。优选地，弹性层由具有比制成基板的材料的杨氏模量小10％(百分之十)的杨氏模量的材料制成。诸如PET、PEN、PEEK和PI之类的基板材料具有在1GPa和10GPa之间的杨氏模量。优选地，弹性层由具有低杨氏模量即低于0.1GPad的杨氏模量的材料(更具体地为橡胶)制成。这样的橡胶的示例是PU(聚氨酯)和有机硅，如PDMS(聚二甲基硅氧烷)。一般地，弹性层将是电绝缘的，因为否则它可能使电子电路短路。替换地，可在导体迹线和弹性层之间提供电绝缘层。即使电绝缘层并非电绝缘，也可以通过弹性层的中断(例如通过使用图案化弹性层)来避免短路。电绝缘意味着弹性层的电阻率高到使得没有显著电流将流过弹性层。如果弹性层的电阻率值显著地高于导电迹线的电阻率值，例如至少高一百或一千倍，则是这种情况。

电互连薄片的最小可获得弯曲半径将取决于柔性基板、弹性层和可拉伸导电迹线的刚度。迹线对最小可获得弯曲半径的贡献的程度不仅取决于每一迹线的尺寸(厚度、宽度和长度)和材料属性，而且也取决于迹线的密度和它们在基板上的定向。

图5示出电子电路(10)的横截面，该电子电路包括如图1所示的电互连薄片和附连到该薄片的电子元件(11)。电子元件是要求供电或通过线路供电或通过线路接收或发送电信号或作为电子电路的其他部分的设备。电子元件可以是有源或无源的。无源元件的示例是电阻器、电容器、线圈和包括键盘在内的开关。有源元件的示例是晶体管、发光二极管、集成电路和包括照相机在内的传感器。更具体地，电子元件可以是包括有机导体或半导体材料(例如聚合物的低聚物)的有机电子元件。这样的有机电子元件的示例是有机发光二极管(OLED)、有机晶体管和有机光伏电池(OPV)。

电子元件经由连接器(12、13)与可拉伸导电迹线(31、32)电气和机械连接。这意味着电流可以从迹线流到该元件且该元件粘附到基板。该元件的连接器可以是胶合或焊接到迹线的引脚。电互连薄片用于包括刚性电子元件(即具有比柔性基板更高的刚度的元件和器件)的柔性电子器件中使用尤其有利。然而，该薄片也可以有利地用于其上放置了脆弱元件的柔性基板，这是因为弹性层会减轻该元件上的应力。在图5中所示出的实施例中，弹性层(4)几乎完全覆盖基板(2)并在该元件下方连接器之间的区域中继续。这样的实施例可以是优选的，例如因为容易制造的原因。然而，还可以图案化弹性层，例如图3中所示出的。弹性层可以例如通过层压附连到基板，或者该层可以通过槽模涂覆或其他涂覆技术被沉积在基板上。例如通过弯曲施加在柔性基板上的力可仅经由弹性层到达电子元件。由于弹性层的减轻效果，可以保护电子元件以免受到这样的力的破坏性影响。优选地，电子元件的所有引脚都以弹性层使每一引脚都经由该弹性层连接到基板的方式附连到基板。然而，应明白，在某些电路和某些应用中，不经由弹性层将所有引脚都连接到基板可能是足够的。

在图6中示出了其俯视图的电子电路(10)的实施例中，弹性层仅覆盖接近电子元件(11)和导电迹线(31、32、33、34)的柔性基板的部分。电子元件可与外部器件通信且可经由在每一可拉伸迹线的一端处的连接区域(321、322、323、324)获得供电。在互连薄片的这一实施例中，这些连接区域中的一些即区域(322)和(323)是可拉伸迹线延伸在弹性层的区域外的部分。在这样的连接区域没有固定到基板的情况中，即当各区域是开放端时，相比于其中各区域固定到弹性层的情况，柔性基板的弯曲不会在器件上引起任何附加的力。然而，如果各连接区域直接附连到基板且中间没有弹性层，那么弯曲可以在可拉伸迹线上引起附加的力，这取决于基板、迹线和弹性层的弹性属性。出于这种原因，优选地，弹性层在迹线下方并在迹线邻近均匀地覆盖基板，即在迹线和基板之间。

可拉伸导电迹线不必全都相同的并行方向定向。图7示出集成电路(70)和四组并行导电迹线(72)。通常，集成电路被封装在矩形外壳中，该矩形外壳包括在四侧的多个连接引脚(71)。为了允许放置在这样的集成电路，电互连薄片可在不同方向(更具体地在如图7中所示出的垂直方向)包括导电迹线。

在各图中示出的电气连接薄片的实施例中，仅在柔性基板一侧，(即图1和图5的基板的上侧)存在迹线。应理解，电互连薄片可以在基板两侧处包括弹性层和一个或多个迹线。包括这样的双侧连接薄片的电子电路也可以在基板的两侧处包括电子元件。

示例

在第一示例中，对包括125微米厚的PET基板以及10微米厚的PU橡胶弹性层和20微米厚的直铜迹线的薄片的性能进行仿真。互连中由基板的拉伸和弯曲引起的应力被评估，其中存在硅芯片的多个连接被连接到迹线。把所仿真的应力与不带有弹性层的类似薄片中的应力进行比较。

在带有弹性层的薄片中，基板的0.1％的平面拉伸在互连处引起37MPa的应力，相比之下，不带有弹性层的薄片则引起48MPa的应力。把基板弯曲到255毫米半径引起57MPa的应力，相比之下，不带有弹性层的薄片则引起66MPa的应力。

在类似薄片(125微米厚的PET基板以及10微米厚的PU橡胶弹性层和20微米厚的铜迹线)的第二示例性能中获得了更大的改善，但对具有45度的角和20的长宽比的波纹(之字形)迹线进行了仿真。把所仿真的应力与不带有弹性层的类似薄片进行比较。

在带有弹性层的这种薄片中，基板的0.1％的平面拉伸在互连处引起2MPa的应力，相比之下，不带有弹性层的薄片则引起20MPa的应力。把基板弯曲到255毫米半径引起14MPa的应力，相比之下，不带有弹性层的薄片则引起40MPa的应力。

因而，对于10微米的弹性层，已经实现了应力的显著减少。可以预期，更厚的弹性层将引起甚至更小的应力，或者至少不会引起更高的应力。

应强调，本发明不限于这些示例。该效果由所使用的材料的弹性属性及其几何形状决定，但通常因为增加弹性层而发生改善。在前述描述中已经陈述了示例性替换材料、应用方法和厚度的范围。例如，把PI而不是PET用作基板材料将引起基本上相同的结果，因为PI和PET具有可比拟的杨氏模量。可用来制成柔性基板的材料本身是公知的。当弹性层比基板更没刚性时，基板的选择不是问题。使用更厚或更薄的基板将影响应力的绝对值，但不影响带有和不带有弹性层的值的比较。类似地，使用不同的导体材料或其他迹线厚度将影响应力的绝对值，但不影响带有和不带有弹性层的值的比较。

作为增加弹性层的结果，发生了改善。在弹性层比基板更没刚性时，各种厚度和材料可以用于弹性层。

Claims (16)

1.电互连薄片(1)，其包括由基板材料制成的柔性基板(2)和可拉伸导电迹线(3)，其特征在于，置于所述基板和所述迹线之间的弹性层(4)，所述弹性层(4)机械连接所述迹线和所述基板，所述弹性层(4)具有比所述基板材料的杨氏模量低的杨氏模量。

2.如权利要求1所述的电互连薄片(1)，其特征在于，所述弹性层(4)是电绝缘的。

3.如权利要求1或2所述的电互连薄片，其特征在于，所述柔性基板由热塑性聚合物制成。

4.如权利要求3所述的电互连薄片，其特征在于，所述热塑性聚合物选自由PET、PI、PEEK、PC、HDPE、PP和PEN组成的组。

5.如前述权利要求中的任一项所述的电互连薄片，其特征在于，所述弹性层由橡胶制成。

6.如权利要求5所述的电互连薄片，其特征在于，所述橡胶是聚氨酯或有机硅。

7.如前述权利要求中的任一项所述的电互连薄片，其特征在于，所述弹性层的刚度少于所述柔性基板的刚度的1％(百分之一)。

8.如前述权利要求中的任一项所述的电互连薄片，其特征在于，所述弹性层由具有少于制成所述基板的材料的杨氏模量的10％(百分之十)的杨氏模量的材料制成。

9.如前述权利要求中的任一项所述的电互连薄片，其特征在于，所述可拉伸导电迹线由金属制成。

10.如权利要求9所述的电互连薄片，其特征在于，所述金属是铜。

11.如前述权利要求中的任一项所述的电互连薄片，其特征在于，所述可拉伸导电迹线包括V形部分。

12.如权利要求11所述的电互连薄片，其特征在于，所述V形部分的腿限定90度或更小的角。

13.如权利要求11或12所述的电互连薄片，其特征在于，所述V形部分的腿具有超过长宽比lt/w的长度，所述长宽比lt/w为十五或更多。

14.电子电路，其包括如前述权利要求中的任一项所述的电互连薄片和附连到所述薄片的电子元件，其中元件与所述可拉伸迹线电气连接。

15.如权利要求14所述的电子电路，其特征在于，所述电子元件是有机电子元件。

16.如权利要求15的电子电路，其特征在于，所述有机电子元件是有机发光二极管或有机晶体管或有机光伏电池。